地鐵車防爬器安裝座螺栓強度研究

劉青林　李東方　王碩

摘要 防爬器作為一種安全裝置使用螺栓安裝在車體底架前部端梁，在列車發(fā)生碰撞時吸收縱向撞擊能量的同時能夠有效防止車輛疊加。文章根據(jù)工廠計算要求，以防爬器安裝座處連接螺栓為研究對象，對某地鐵車防爬器安裝座螺栓強度進行數(shù)值模擬，建立了防爬器的有限元模型，提取各工況下螺栓的載荷，根據(jù)VDI 2230標準，對安裝座處的連接螺栓進行強度校核，為防爬器安裝座螺栓連接設(shè)計提供理論及技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 螺栓連接;VDI 2230標準;有限元法;強度分析

中圖分類號 U270.389 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0075-03

引言

軌道車輛防爬器是一種安全裝置，在以往的設(shè)計結(jié)構(gòu)中，通常使用焊接方式連接，焊接接頭存在脆性，且焊接空間小，人工操作不便，碰撞后防爬器難以修復(fù)。為使車輛在碰撞后能在較短時間內(nèi)快速修復(fù)，現(xiàn)在大多數(shù)防爬器采用螺栓連接。為滿足列車關(guān)鍵部件強度要求，為車體關(guān)鍵連接部件的改進提供依據(jù)，現(xiàn)對防爬器螺栓進行強度分析[1-3]。

該文以軌道車輛防爬器安裝座為研究對象，建立整個防爬器螺栓連接有限元分析模型。通過有限元仿真分析，提取螺栓所受載荷，結(jié)合《VDI 2230標準》對螺栓強度進行評估，為相應(yīng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 防爬器作用及位置

防爬器安裝在列車頭部，當(dāng)列車發(fā)生碰撞時，防爬裝置通過前端凸出來的齒形板相互咬合，防止列車出現(xiàn)疊加，同時導(dǎo)向筒內(nèi)的吸能材料受到碰撞擠壓產(chǎn)生形變，吸收能量，進而減輕撞擊力度，最大限度保障車體結(jié)構(gòu)完整及司機乘客的安全[4-5]。防爬器在車體上的安裝位置如圖1所示。

2 防爬器有限元模型及工況

2.1 有限元模型

防爬器由4個M24×150 mm（10.9級）螺栓與車體安裝座連接，其有限元模型整體采用實體單元，局部采用殼單元，螺栓使用一維梁單元進行模擬。根據(jù)幾何模型建立防爬器的有限單元模型如圖2所示。

2.2 計算工況

（1）縱向壓縮載荷1 200 kN;（2）垂直向上載荷300 kN;（3）縱-垂復(fù)合工況。防爬器有限元加載情況如圖3所示，①為縱向載荷，②為垂向載荷。約束車鉤處X方向位移，中心銷處Y方向位移，空簧處Z方向的位移。

2.3 螺栓強度分析

經(jīng)有限元仿真分析計算，8組螺栓在不同工況下所受力最大值見表1。

3 基于《VDI 2230標準》的螺栓強度校核

3.1 螺栓的基本參數(shù)

防爬器連接螺栓的尺寸參數(shù)如表2所示。

3.2 確定載荷引入系數(shù)

（1）螺栓的彈性變形。螺栓的總彈性變形計算公式為：

式中：——螺栓螺紋彈性變形;——螺栓無螺紋桿彈性變形;——螺栓無載荷螺紋彈性變形;——接合螺紋彈性變形;——內(nèi)螺紋區(qū)域彈性變形。

螺栓各部分的彈性變形計算公式為：

式中：l——螺紋長度;E——彈性模量;A——接觸面積。安裝螺栓的總彈性變形δs為1.2e-6 mm/N。

（2）不同材料被夾緊件彈性總變形δp為：

式中：i——被夾緊件層數(shù);lK——每層被夾緊件厚度;EP——每層被夾緊件材料的彈性模量;DA——在接觸面上被夾緊件基本立方體的替代外徑;dh——安裝座處螺栓孔直徑。計算可得螺栓被夾緊件的彈性變形δp為0.9e-6 mm/N。

（3）載荷系數(shù)Φn。同心夾緊載荷系數(shù)Φ的計算公式如下：

式中：Φ——載荷系數(shù);n——載荷作用因數(shù);Φn——考慮載荷作用因數(shù)后的載荷系數(shù)。考慮載荷作用因數(shù)后的載荷系數(shù)Φn為0.12。

3.3 確定預(yù)緊力損失

常溫環(huán)境中，溫度對預(yù)緊力損失影響很小，不予考慮，預(yù)緊力損失為：

式中：——螺栓連接嵌入量，由VDI可查得。預(yù)緊力損失為4 968.38 N。

3.4 確定最大裝配預(yù)緊力

最大裝配預(yù)緊力為：

式中：αA——螺栓擰緊系數(shù)，根據(jù)標準取1.6。可得最大裝配預(yù)緊力如表3。

3.5 確定裝配應(yīng)力和裝配預(yù)緊力

（1）裝配應(yīng)力為：

式中：v——屈服應(yīng)力的利用系數(shù)，通常取0.9;RP0.2min——螺栓屈服強度，此處取值934 MPa，計算得裝配應(yīng)力如表4。

（2）最大裝配預(yù)緊為：

式中：A0——螺栓最小截面積;P——螺距;d2——螺紋中徑，d2=d-0.649 5P;d0——螺紋最小直徑;μGmin——螺紋最小摩擦系數(shù)，計算得其許用最大裝配預(yù)緊力FMzul為252 490.2 N。

3.6 確定工作應(yīng)力

螺栓承受的最大載荷：

計算得螺栓承受最大載荷為253 930.36 N。

最大拉伸應(yīng)力：

計算得最大拉伸應(yīng)力為783.01 MPa。

最大扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)：

式中：MG——螺紋緊固力矩，;WP——螺栓橫截面阻力主慣性矩，，計算得最大扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力為169.89 MPa。

在實際中，通常只考慮扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力的一部分，故引入修正系數(shù)kτ，推薦kτ=0.5，最大組合應(yīng)力為：

計算得最大組合應(yīng)力為796.71 MPa。

此時須滿足RP0.2min>σred，B，即安全系數(shù)：

由上可知螺栓的工作應(yīng)力安全系數(shù)SF>1，故螺栓合格。

3.7 確定交變應(yīng)力

應(yīng)力幅值的計算公式：

式中：FSAo——軸向工作載荷FA的最大值;FSAu——軸向工作載荷FA的最小值;AS——螺紋應(yīng)力截面積。

根據(jù)VDI標準，在交變循環(huán)次數(shù)ND≥2×106下，螺栓許用疲勞應(yīng)力參考值為：

式中：d——螺紋公稱直徑。

此時需滿足σAS>σa，即安全系數(shù)：

最大交變應(yīng)力σa為0.57 MPa，最大許用疲勞應(yīng)力σAS為43.56 MPa，最小安全系數(shù)SD為76，所有螺栓均合格。

3.8 確定滑移安全系數(shù)及最大剪切應(yīng)力

螺栓最小剩余預(yù)緊力為：

傳遞橫向載荷和扭轉(zhuǎn)所需的最小夾緊載荷為：

此時需滿足FKRmin>FKerf，即滑移安全系數(shù)：

計算得滑移安全系數(shù)如表5。

一旦接觸界面產(chǎn)生滑移螺栓受剪，最大剪切應(yīng)力為：

式中：FQmax——螺栓所受最大橫向力;Aτ——接觸面處螺栓受剪面積。

防止剪切的安全系數(shù)：

式中：τB——許用剪切應(yīng)力，根據(jù)VDI標準τB=200 MP。計算得防止剪切的安全系數(shù)如表6。

螺栓的滑移安全系數(shù)SG<1，防止剪切的安全系數(shù)SA<1.1，故螺栓不合格。

3.9 確定擰緊扭矩

根據(jù)VDI標準，M24高強螺栓擰緊力矩MA=1 440 N·m，大于計算任務(wù)書給的預(yù)緊力矩MA=1 000 N·m，滿足設(shè)計要求。

計算所選取的FAmax、FQmax及FYmax值均為螺栓在各工況下提取的最大值。綜上所述，基于VDI標準分析計算結(jié)果表明，地鐵車防爬器連接螺栓的工作應(yīng)力、交變應(yīng)力、擰緊扭矩均合格，抗滑移和防止剪切系數(shù)不合格。

4 結(jié)論

（1）建立了地鐵車防爬器有限元分析模型，得到其在不同工況下軸力、剪力以及扭矩，基于有限元方法，參照VDI準則，對防爬器安裝座處螺栓進行分析及評估，為后期防爬器的設(shè)計提供一定的理論。

（2）對于防爬器縱向壓縮、垂向載荷以及垂-縱復(fù)合工況，螺栓的工作應(yīng)力、交變應(yīng)力、擰緊扭矩均合格，螺栓的抗滑、抗剪切安全系數(shù)均不合格。

（3）基于VDI標準對防爬器安裝座處螺栓進行校核顯示，地鐵車防爬器設(shè)計需要調(diào)整原螺栓設(shè)計參數(shù)，調(diào)整后M32螺栓符合設(shè)計使用要求。

參考文獻

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收稿日期：2022-01-21

作者簡介：劉青林（1992—），男，研究生，工程師，研究方向：軌道交通車輛結(jié)構(gòu)與強度分析。